宋吉鎖，何海龍，劉鵬飛，孫群，李偉東，喬冠男

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠(chǎng)，遼寧 鞍山 114021）

摘要： 針對(duì)鞍鋼 KR 法脫硫效果不好的問(wèn)題開(kāi)展了工業(yè)試驗(yàn)， 得出了攪拌槳的最佳浸入深度是 1.5 m，據(jù)此建立了 KR 脫硫浸入深度模型。 應(yīng)用新模型后，鐵水預(yù)處理脫硫效率提高到94.2%，脫硫粉劑消耗降至 6.4 kg/t 鐵。

關(guān)鍵詞： 鐵水預(yù)處理；KR 法脫硫；浸入深度

隨著用戶(hù)對(duì)鋼材質(zhì)量要求的日益提高， 特別是電工鋼和高級(jí)別管線(xiàn)用鋼均要求成品硫含量小于 0.003 0%，因此，各鋼廠(chǎng)對(duì)鐵水預(yù)處理越來(lái)越重視。 KR 攪拌槳是攪拌脫硫動(dòng)力學(xué)條件改善的關(guān)鍵，攪拌槳的轉(zhuǎn)速、浸入深度、攪拌形式對(duì)脫硫效率均會(huì)造成極大的影響。 尤其是攪拌槳浸入深度，對(duì)鐵水罐內(nèi)的流場(chǎng)起到?jīng)Q定性作用， 浸入深度過(guò)深或過(guò)淺，脫硫效果都不好,浸入過(guò)深鐵水形不成漩渦，不能和脫硫劑充分混勻；過(guò)淺則鐵水容易噴出鐵水罐造成灑鐵事故。 文獻(xiàn)^［1］認(rèn)為攪拌槳最佳浸入深度為 1．25～1．45 m，文獻(xiàn)^［2］則認(rèn)為最 佳 的浸入深度為 1.1～1.3 m。 鞍鋼 2015 年 1 月投產(chǎn)了兩套 KR 脫硫系統(tǒng)， 通過(guò)鐵水罐浸入深度試驗(yàn)得出最佳浸入深度，并通過(guò)測(cè)液面的方式，編制出一套 KR 脫硫系統(tǒng)攪拌槳最佳浸入深度的計(jì)算模型，應(yīng)用后鐵水預(yù)處理脫硫效率得到提高。

1 國(guó)內(nèi)外 KR 攪拌槳浸入深度的研究情況

KR 攪拌槳的最佳浸入深度與攪拌槳的尺寸、鐵水熔池的深度、鐵水罐的形狀均相關(guān)，所以國(guó)內(nèi)外鋼廠(chǎng)均按照物理學(xué)的相似原理， 基于本廠(chǎng)的設(shè)備條件， 以一定的比例通過(guò)物理模擬研究攪拌槳的最佳浸入深度。 表 1 為鐵水罐及攪拌槳尺寸參數(shù)的研究情況。

武鋼研究院基于武鋼二煉鋼 100 t 鐵水罐，采用聚乙烯泡沫模擬脫硫劑，研究了攪拌器轉(zhuǎn)速、攪拌器浸入深度、 攪拌器槳葉結(jié)構(gòu)以及攪拌器與攪拌罐直徑比對(duì)聚乙烯泡沫卷吸深度的影響規(guī)律^［3］。

研究結(jié)果表明， 提高攪拌器轉(zhuǎn)速可以增強(qiáng)泡沫粒子的卷吸深度，增大攪拌器直徑有利于提高液面的卷吸能力，液面明顯上升。 研究還表明，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，攪拌器存在一個(gè)最佳的浸入深度。田廣亞、徐強(qiáng)等^［4］對(duì)寶鋼浦鋼公司的 KR 鐵水預(yù)處理脫硫過(guò)程進(jìn)行水模研究， 實(shí)驗(yàn)容器和現(xiàn)場(chǎng)鐵水罐采用 1∶5 的比例，實(shí)驗(yàn)采用測(cè)定熔池模擬鐵水包中（水溶液）電導(dǎo)率的方法來(lái)測(cè)量最短混勻時(shí)間，考察攪拌槳的轉(zhuǎn)速、浸入深度、攪拌槳位置對(duì)混勻時(shí)間的影響。 結(jié)果表明，混勻時(shí)間隨著攪拌槳浸入水中深度的增加而減小，但是當(dāng)浸入深度達(dá)到270 mm（即現(xiàn)場(chǎng)浸入深度 1.2 m）以后，繼續(xù)增加深度，混勻時(shí)間基本不再變化。 Ryutaro SHIBA 等研究認(rèn)為^［5］，在攪拌器轉(zhuǎn)速不變的前提下，隨著攪拌器插入深度的減小，罐內(nèi)脫硫劑分散度提高，固液傳質(zhì)系數(shù)增加。

鞍鋼 200 t 鐵水罐型和攪拌槳尺寸與其它鋼 廠(chǎng)不同，在前期攪拌器葉片尺寸、葉數(shù)、攪拌槳轉(zhuǎn) 速已經(jīng)優(yōu)化完成的情況下， 進(jìn)一步優(yōu)化了攪拌槳 的浸入深度。

2 基于200 t 鐵水罐浸入深度的試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理簡(jiǎn)介

浸入深度（攪拌槳下沿距鐵水液面的高度）影 響脫硫劑的混勻效果，影響脫后成分的均勻性，研 究浸入深度必須研究 KR 脫硫的鐵水流場(chǎng)。 鐵水 環(huán)流示意圖見(jiàn)圖 1。

由圖 1 看出，KR 機(jī)械攪拌脫硫是將十字形的攪拌槳浸入鐵水液面一定深度， 高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鐵水也隨著高速旋轉(zhuǎn)，隨著攪拌槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌槳周?chē)黧w沿著槳徑向鐵水罐側(cè)壁流動(dòng)， 流體碰到側(cè)壁后分成兩部分，分別向上和向下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。 攪拌槳附近由于流體的排出壓力降低， 向上運(yùn)動(dòng)的流體由于壓差和重力的作用， 形成返回?cái)嚢铇戏降沫h(huán)流。 而向下運(yùn)動(dòng)的流體在壓差作用下也返回?cái)嚢铇?，形成攪拌槳下方的環(huán)流。 返回的流體由于攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)的作用形成循環(huán)， 流體流動(dòng)沿?cái)嚢铇獙?duì)稱(chēng)分布。

圖 2 為流體速度云圖。 攪拌槳兩側(cè)灰色部分是鐵水流動(dòng)的高速區(qū)， 攪拌槳槳葉上部區(qū)域和攪拌槳下部黑色區(qū)域是鐵水流動(dòng)的低速區(qū)域， 同時(shí)在攪拌槳邊緣靠近鐵水罐邊緣部分形成湍流，是脫硫劑混勻的最佳區(qū)域。 只有保證鐵水高速區(qū)域灰色部分面積最大， 攪拌槳下部鐵水流動(dòng)速度最小的黑色區(qū)域（通常認(rèn)為是死區(qū)）面積最小，脫硫劑才能達(dá)到最佳的混勻效果。 在脫硫劑穩(wěn)定的條件下，工業(yè)試驗(yàn)以脫硫效率最高、脫硫粉劑消耗最低、攪拌槳底部結(jié)瘤最小時(shí)為最佳浸入深度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)了 1.4、1.5、1.6 m 三個(gè)浸入深度。 每個(gè)攪 拌槳從上線(xiàn)開(kāi)始直至報(bào)廢下線(xiàn)， 統(tǒng)計(jì)脫硫效率和 脫硫劑消耗。 浸入深度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2。

由表 2 看出，浸入深度為 1.5 m 時(shí)，脫硫效率最高，為 94.2%，脫硫劑消耗最低，為 6.4 kg/t。三個(gè) 浸入深度的攪拌槳結(jié)瘤情況見(jiàn)圖 3。 由圖 3 看出， 浸入深度為 1.4 m 時(shí)攪拌槳結(jié)瘤最嚴(yán)重，1.6 m 時(shí) 次之，1.5 m 時(shí)攪拌槳基本上不結(jié)瘤。

本次試驗(yàn)得出結(jié)論， 浸入深度 1.5 m 時(shí)脫硫 動(dòng)力學(xué)條件最好，脫硫劑混勻效果也最好，沒(méi)有發(fā) 生脫硫劑在攪拌槳軸部和底部結(jié)瘤現(xiàn)象。 因 此 認(rèn)為，鞍鋼 200 t 鐵水罐 KR 脫硫的最佳浸入深度 是1.5 m。

3 浸入深度模型的開(kāi)發(fā)

3.1 熔池深度的精確測(cè)定

鞍鋼 200 t 鐵水罐出鐵量為 190~205 t， 出鐵 量不同，鐵水罐耐材的侵蝕程度不同，熔池深度也 不同， 原設(shè)計(jì)模型的熔池深度是通過(guò)鐵水量的變 化理論計(jì)算得出， 沒(méi)有考慮鐵水罐耐材侵蝕造成 的鐵水罐容變大， 必須準(zhǔn)確測(cè)量鐵水熔池深度才 能準(zhǔn)確計(jì)算出下槳深度。 圖 4 為熔池深度示意圖。

圖 4 中，L₁ 是 待 機(jī) 位 時(shí)，攪 拌 槳 下 沿 距 鐵 水 罐 上 沿 的 距 離 ，L₁=2 750 mm；h₁ 是 鐵 水 凈 空 ；h₂ 是鐵水熔池深度 ；H₀ 是 鐵 水 罐 內(nèi) 徑 高 度 ，H₀=4 904 mm。 攪拌槳的下沿距離鐵水罐底的距離 是 L₁+H₀=7 654 mm。 熔池深度 h₂=7 654-L₁-h₁。 h₁ 隨著鐵水量的變化和鐵水罐耐材的侵蝕程度變 化。 目前沒(méi)有精密設(shè)備可以準(zhǔn)確測(cè)量出鐵水罐的 凈空，可以通過(guò)攪拌槳的行程測(cè)出 h₁，攪拌槳的待機(jī)位時(shí)零點(diǎn)即 0 mm。 攪拌槳向下運(yùn)行到攪拌槳下 沿接觸到鐵水液面記錄此數(shù)碼，此時(shí)的數(shù)碼減去 2 750 就是 h₁，用 7 654 減去此時(shí)的數(shù)碼就是 h₂。

3.2 下槳深度的確定

工業(yè)試驗(yàn)確定了 200 t 鐵水罐 KR 脫硫的最 佳浸入深度是 1.5 m， 精確測(cè)定鐵水熔池深度后， 可以精確計(jì)算出 KR 脫硫的下槳深度。 KR 脫硫的 下槳深度應(yīng)該是 L1+h1+900+600 （900 是攪拌槳葉 片高度，600 是攪拌槳在工作位時(shí)攪拌槳上沿距離 鐵水液面的距離）。

3.3 浸入深度模型的編制

為了方便操作，把 3.2 中的 900+600=1 500 定 義為 KL，L₁ 是固定值，h₁ 是變化值，不能直接測(cè)出 h₁，可以測(cè)出 L₁+h₁ 的和，把確定 L₁+h₁ 和的過(guò)程定 義為測(cè)液面過(guò)程， 把 L₁+h₁ 的和定義為液面高度。

下槳深度=液面高度+KL。 每一罐脫硫鐵水只要測(cè) 出液面高度就可以準(zhǔn)確得出下槳深度。 具體測(cè)液 面的方法如下:

（1） 將攪拌槳沿一個(gè)槳葉楞的位置從下向上 魚(yú)鱗狀的涂上耐火泥。

（2） 將攪拌槳浸入鐵水里 （接近 1/3 的位置) 記錄此時(shí)的數(shù)碼。圖5 為攪拌槳浸入鐵水時(shí)操作頁(yè) 面截圖。

（3） 攪拌槳抬起， 測(cè)量攪拌槳浸入鐵水的深 度， 攪拌槳從待機(jī)位到攪拌槳下沿接觸鐵水的實(shí) 際數(shù)碼等于攪拌槳浸入鐵水里時(shí)的數(shù)碼減去攪拌 槳浸入深度。 這個(gè)數(shù)碼稱(chēng)為本罐鐵水的液面高度。 然后在計(jì)算機(jī)一級(jí)程序上做出攪拌槳下槳深度計(jì) 算圖，見(jiàn)圖 6。 把對(duì)應(yīng)罐號(hào)的鐵水量輸入就可以得 出下槳深度，再根據(jù)脫硫的操作畫(huà)面，則整個(gè)攪拌 槳的浸入深度模型編制完成。

4 模型的應(yīng)用效果

2018 年 1 月應(yīng)用了該模型， 應(yīng)用新模型既解 決攪拌槳結(jié)瘤問(wèn)題,又從根本上杜絕了浸入深度過(guò) 淺造成鐵水噴濺導(dǎo)致的鐵水損失。 1~6 月份脫硫 劑的消耗情況及扒渣鐵損情況見(jiàn)圖 7。從圖 7 中可 以看出，脫硫劑消耗持續(xù)降低，從 1 月份的噸鐵最 高消耗 8.286 kg 降到 6 月份的 6.340 kg,降幅達(dá)到 23%。 扒渣鐵損降低了 0.16 t/罐， 降低幅度接近 10%。 此期間工況相同，分析扒渣鐵損降低的原因 認(rèn)為， 一部分是粉劑消耗降低， 按脫硫渣含鐵量10%計(jì)算，粉劑消耗降低 23%，由此帶來(lái)扒損降低 應(yīng)該是 23%×10%=2.3%，所以，減輕鐵水噴濺降低 了 7.7%的扒渣鐵損。

5 結(jié)論

（1） 工業(yè)試驗(yàn)得出, 鞍鋼 200 t 鐵水罐 KR 脫 硫系統(tǒng)攪拌槳插入深度為 1.5 m 時(shí)， 脫硫效率最 高，達(dá)到 94.2%，脫硫粉劑消耗最低為 6.4 kg/t。

（2） 通過(guò)測(cè)液面和設(shè)定 KL 值準(zhǔn)確地計(jì)算出 每罐鐵水的下槳深度， 并且直接應(yīng)用在一級(jí)操作 畫(huà)面上，編制出了 KR 脫硫插入深度模型。 應(yīng)用新 模型后，噸鋼粉劑消耗降低了 23%，既解決了攪拌 槳結(jié)瘤問(wèn)題， 又降低了由于鐵水噴濺問(wèn)題造成的 鐵水損失。

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